曹雪松，徐淑珍，官 靜，康翠雯

（天訊瑞達通信技術有限公司研究總院，廣東 廣州 510623）

0 引言

隨著社會的發(fā)展和科技的進步，應急管理工作面臨著越來越復雜和嚴峻的挑戰(zhàn)。而傳統(tǒng)的應急管理方法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代社會的需求，特別是在突發(fā)事件應對處置和應急救援過程中，由于救援人員趕到災害發(fā)生地點往往需要一定時間，存在指揮部對災害事故現(xiàn)場信息獲取速度緩慢及不全的問題，指揮員難以對事故災難全貌做準確判斷，從而無法保障應急處置各環(huán)節(jié)能夠及時啟動響應。數(shù)字孿生[1]是智慧城市發(fā)展到一定程度產(chǎn)生的一種新興的技術手段，在網(wǎng)絡空間再造一個與之對應的“虛擬世界”，形成物理維度上的實體世界和信息維度上的數(shù)字世界同生共存、虛實交融，這種技術可以為應急管理工作提供全新的思路和解決方案。

1 數(shù)字孿生的概念和特點

數(shù)字孿生是一種通過對實體物體進行虛擬復制和模擬，創(chuàng)建精確的數(shù)字模型的技術。數(shù)字孿生具有高度精確的仿真和預測能力，可以實現(xiàn)對實體物體的實時監(jiān)測、分析和優(yōu)化。數(shù)字孿生的特點包括高度可視化、高度交互性和高度智能化[1]。數(shù)字孿生按成熟度可分為六級模型精度：L0 級，采用地表模型和建筑白模初步建模，基于GIS 數(shù)據(jù)生產(chǎn)地形、地貌、路網(wǎng)、水系等；L1 級，基于GIS 數(shù)據(jù)、傾斜攝像、影像數(shù)據(jù)還原城市地形、建筑、城市道路，可較好還原城市區(qū)域形態(tài)；L2 級，基于GIS 數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像、項目資料等，對城市地形、建筑結構原始紋理、交通設施、地表植被、水系等進行準確還原，真實程度較高；L3 級，基于GIS、BIM、衛(wèi)星影像、項目資料等對建筑結構細節(jié)、交通設施、水系、地表植被等進行精細還原，能夠準確的反應物理世界的幾何特性，精度達到厘米級；L4 級，基于GIS、BIM、衛(wèi)星影像、項目資料等對地形、建筑細節(jié)、交通設施、地表植被、水系進行超精細建模與細節(jié)還原，真實反應其光照及質(zhì)感，精度達到毫米級；L5 級，對城市建筑物、基礎設施、環(huán)境資源1：1 還原，達到現(xiàn)實世界的質(zhì)感與光效，可稱為影視級的細節(jié)與渲染[2]。

而應急管理對災害事故場景的數(shù)字孿生建模，其目標就是要以數(shù)字化方式在網(wǎng)絡空間再造一個與物理世界中的災害事故現(xiàn)場相匹配、對應的孿生場景，目前采用L0～L3 級別模型較為廣泛。主要通過對物理實體、規(guī)則、邊界、屬性的數(shù)字化映射，結合歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)以及算法模型等，實現(xiàn)各類突發(fā)事件從事前、事發(fā)、事中、事后等各環(huán)節(jié)的全過程、全要素、全方位、全周期的仿真、預測、交互和控制，并據(jù)此指導優(yōu)化突發(fā)事件應對各項工作，輔助應急管理部門及時應對各類災害事故，提升輔助指揮決策能力和救援實戰(zhàn)能力，促進應急管理體系和能力現(xiàn)代化[3]。

2 數(shù)字孿生在應急管理中的應用解決方案

2.1 災害預警和預測

數(shù)字孿生在災害預警方面可以利用高程數(shù)據(jù)和管網(wǎng)數(shù)據(jù)模擬地形地貌特征建立地表數(shù)字孿生模型，再利用實時數(shù)據(jù)采集和傳輸技術，及時獲取地震、洪水、臺風等自然災害的相關數(shù)據(jù)，并將其與數(shù)字孿生模型進行實時連接，實時監(jiān)測和預警可能發(fā)生的災害。通過對數(shù)字孿生模型中的系統(tǒng)進行實時仿真和模擬，可以提前預測災害的發(fā)生時間、地點以及規(guī)模等，并及時發(fā)出預警信息，幫助相關部門和民眾做好防范和應對準備。數(shù)字孿生在災害預測方面可以通過對歷史災害數(shù)據(jù)和實際系統(tǒng)的建模分析，預測未來可能發(fā)生的災害并做出風險評估[4]。通過數(shù)字孿生模型可以模擬不同的災害情境，評估不同的防災措施和應對策略的有效性，幫助決策者在災害發(fā)生前做出科學的決策，提前采取相應的應對措施，減輕災害帶來的損失。城市災害監(jiān)測預警數(shù)字孿生如圖1 所示。

圖1 城市災害監(jiān)測預警數(shù)字孿生

2.2 應急響應和指揮

數(shù)字孿生技術應用在應急響應和指揮中的應用可以提高災害應對能力、減少損失，幫助指揮決策者做出科學、迅速的決策，有效地應對各類緊急情況。如在突發(fā)事件發(fā)生的緊急情況下可以通過數(shù)字孿生構建真實環(huán)境的虛擬模型用于模擬和演練各種緊急情況。應急響應人員通過該模型可以進行模擬演練，了解不同情況下的響應策略和決策，評估應急措施的有效性，并培訓應急人員以提高應急響應能力。同時數(shù)字孿生技術可以在虛擬場景中通過傳感器網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)采集設備，實時獲取環(huán)境、設備和人員等各種數(shù)據(jù)，以提供準確的狀態(tài)信息和決策支持[5]。例如，在火災緊急情況下，數(shù)字孿生可以實時監(jiān)測煙霧、溫度、氧氣含量等數(shù)據(jù)，提供實時警報和推薦最佳逃生路線。數(shù)字孿生還可以模擬和優(yōu)化資源調(diào)度方案。例如，在地震災害中，數(shù)字孿生可以模擬受災地區(qū)的交通情況、人員分布、醫(yī)療資源等，通過智能算法進行優(yōu)化分析，幫助指揮部門高效地調(diào)度救援力量和物資，合理分配資源，提高應急響應效率。應急響應和指揮全流程數(shù)字孿生如圖2 所示。

圖2 應急響應和指揮全流程數(shù)字孿生

2.3 安全生產(chǎn)

通過數(shù)字孿生技術可以實現(xiàn)對安全生產(chǎn)領域的模擬、監(jiān)測和預測，幫助提高安全性、降低事故風險，并及時采取措施保護人員和設備的安全。如針對危化品生產(chǎn)、儲存企業(yè)建立工業(yè)生產(chǎn)園區(qū)的數(shù)字孿生模型可以實時監(jiān)測設備運行狀態(tài)并預測潛在的故障風險，這有助于及時采取措施以避免事故發(fā)生，提高廠區(qū)和設備的安全性，數(shù)字孿生還可以在礦山中模擬采礦設備的運行狀態(tài)，并預測潛在的危險和事故風險。這幫助礦山運營商及時采取措施，確保礦工和設備的安全。數(shù)字孿生還可以模擬城市的基礎設施，如橋梁、道路、管道等。通過對這些基礎設施進行監(jiān)測和預測，建立城市生命線的全生命周期體系，預防潛在的破壞和事故，并采取相應的維修和保養(yǎng)措施。安全生產(chǎn)基礎設施數(shù)字孿生如圖3 所示。

圖3 安全生產(chǎn)基礎設施數(shù)字孿生

2.4 演練和培訓

數(shù)字孿生可以通過對不同應急場景的模擬和演練，提供實戰(zhàn)訓練和指導。通過數(shù)字孿生可以模擬不同的災害場景，培訓應急人員的應變能力和決策能力，提高應急管理的整體水平。數(shù)字孿生技術可以創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實環(huán)境，模擬各類應急情景，如火災、地震、化學泄漏等。參與者通過虛擬現(xiàn)實技術可以實時感受到緊急情況下的應對壓力，并在虛擬環(huán)境中進行反應和決策。這有助于提高應急響應的效率和準確性。在應急演練中通過數(shù)字孿生模型可以實時監(jiān)測和分析參與者的行為和應急響應?；谀M結果和分析數(shù)據(jù)可以識別出潛在的問題和改進空間，并通過模擬優(yōu)化進行反復演練和改進?？梢詫崿F(xiàn)多人同時在虛擬環(huán)境中進行訓練，并模擬實際應急情況下的協(xié)同工作，通過團隊合作的演練可以提高團隊成員之間的配合能力和溝通效率，有效應對復雜的應急情況。最后可以記錄和分析每個參與者的應急表現(xiàn)，并提供實時反饋和評估報告。這有助于參與者了解自身的表現(xiàn)，并發(fā)現(xiàn)改進的地方，提高自身的應急能力。基于預案的應急演練和培訓數(shù)字孿生如圖4 所示。

3 數(shù)字孿生在應急管理中的前景和挑戰(zhàn)

數(shù)字孿生是一種創(chuàng)新技術，但在應急管理工作中仍面臨著一些重大挑戰(zhàn)，制約該項技術對這個行業(yè)領域的支撐，主要包括以下5 個方面。

3.1 數(shù)據(jù)精確性和準確性

數(shù)字孿生需要依賴大量的數(shù)據(jù)來構建模型，但數(shù)據(jù)的準確性和精確性是一個挑戰(zhàn)。如果模型建立在不準確的數(shù)據(jù)上，可能導致模擬結果不真實或者對實際情況無效。因此在數(shù)字孿生中確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準確性非常關鍵。

3.2 數(shù)字孿生建模的及時性

突發(fā)事件往往發(fā)生非常突然，地點非常隨機，救援機會轉(zhuǎn)瞬即逝，數(shù)字孿生建模往往需要時間，很難滿足事件處置的及時性要求，這會導致數(shù)字孿生技術在應急管理中的應用受限。

3.3 模型復雜性和維護

數(shù)字孿生模型的復雜性往往較高，需要投入大量時間和資源來構建和維護。模型的更新和維護也需要及時調(diào)整，以使其始終與現(xiàn)實情況保持一致。這對應急管理團隊來說可能是一項挑戰(zhàn)，需要投入相應的人力和物力來維護模型的準確性和實用性。

3.4 技術和設備需求

數(shù)字孿生技術通常需要配備高性能的計算機、傳感器和虛擬現(xiàn)實設備等，并且需要專業(yè)的技術人員進行維護和操作。這對于一些資源有限的應急管理機構可能是一個挑戰(zhàn)，限制了其在數(shù)字孿生領域的應用和發(fā)展。

3.5 數(shù)據(jù)共享和隱私保護

數(shù)字孿生建模通常需要使用大量的數(shù)據(jù)來創(chuàng)建真實世界的模型。在應急管理工作中涉及的數(shù)據(jù)可能包含敏感信息和隱私內(nèi)容，因此，需要妥善處理數(shù)據(jù)共享和隱私保護的問題，確保數(shù)據(jù)的安全性和機密性。

雖然數(shù)字孿生在應急管理工作中面臨一些挑戰(zhàn)，但隨著技術的不斷進步和經(jīng)驗的積累，這些挑戰(zhàn)可以逐漸得以克服。應急管理單位需要充分了解和準備這些挑戰(zhàn)，并積極尋求解決方案來推動數(shù)字孿生在應急管理領域的應用。

4 結語

數(shù)字孿生作為一種新興的技術手段在應急管理工作中具有廣泛的應用前景。它能提高應急響應的效率和準確性，減少人員和物質(zhì)損失，并提升應急管理的整體水平。然而數(shù)字孿生的應用也面臨著一些挑戰(zhàn)，需要綜合考慮技術、資源和法律等方面的因素，加強相關研究和合作，推動數(shù)字孿生在應急管理中的更廣泛應用。